大孔隙对农田耕作层饱和导水率的影响

介绍了土壤中大孔隙流的研究,并用一种简单的方法对土壤内的大孔隙和中小孔隙的饱和导水率进行分析,同时讨论了农田耕作层大孔隙流和Darcy流饱和导水率的变异情况。     

土壤大孔隙流研究中分形几何的应用进展

土壤中普遍存在的大孔隙使水及溶质快速穿过土壤，污染地下水，确定土壤大孔隙流性质需要大量的野外和室内实验。本文在对分形几何概念进行简要阐述的基础上，介绍了分形几何在土壤大孔隙流研究中所取得的成果，结果表明应用分形几何确定土壤大孔隙流性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法，最后对分形几何在土壤在大孔隙流研究中应用前景作了展望。     

崇陵流域土石山区坡面优先流发育路径研究

大孔隙优先流对山坡产汇流过程有重要影响。为摸清太行山土石山坡不同坡位点(坡顶、坡中上、坡中、坡中下、坡脚)的大孔隙优先流发育路径规律,以崇陵流域的典型山坡为研究对象,采用亮蓝染色剂开展了野外双环入渗染色剂示踪试验,并从水平方向与垂直方向对比分析大孔隙优先流发育路径。结果表明:(1)从坡顶到坡脚,垂直方向优先流发育减弱,水平方向优先流增强。(2)坡中以下,大孔隙优先流水平发育明显;而坡中以上,垂直方向优先流发育明显,水平方向大孔隙优先流鲜有发育。(3)崇陵流域土山区坡面表层深度20 cm以上很少出现水平方向的优先流侧向补给,为垂直向下的活塞式下渗方式。20 cm以下开始出现水平方向的大孔隙优先流,30～70 cm为优先流发育显著区。以上结论可以为基于优先流的山坡产汇流模拟提供参考。     

大孔隙对径流过程影响的研究进展

大孔隙流是土壤优先流的一种,在植被发育区土壤大孔隙比较常见,对径流形成过程产生重要的影响。介绍了大孔隙流的研究方法,系统总结了近50年植被发育区土壤大孔隙对降雨入渗过程及径流形成过程的影响:从水分入渗的角度,大孔隙可以加快降雨入渗过程;由土壤大孔隙流与山坡产流的关系,大孔隙促进了边坡雨水的运动进而引起了快速产流;世界范围内的研究都表明土壤管流或大孔隙流是径流组分重要贡献者。     

土壤非饱和带中的优先流

优先流是近年来研究土壤水运动所提出的术语。在某些条件下,水分在非饱和带中的运移不是简单的一维垂直向下流动,而是越过大部分土壤的体积沿着优先途径流动。优先流通常分为三类:大孔隙流,漏斗流,指流。本文分别介绍了这三类流动形式,并回顾了有关优先流的理论和实验的研究成果。     

包气带水流中黄土裂隙作用机制研究

野外渗水实验和机制研究的结果表明:在暂时性饱和水入渗条件下,浅部黄土中可以形成裂隙中的水分向孔隙的“单向流”过程;在非饱和流状态下,黄土中的裂隙和大孔隙不起导水作用,而产生水流屏障效应。     

柴达木盆地东部石炭系页岩气储层渗流特征研究

页岩气是一种潜在资源量巨大的非常规天然气资源,页岩气藏具有多尺度的孔渗结构及多种渗流形态,研究页岩气藏储渗特征能够为页岩气的勘探开发提供理论支撑。该研究选取了柴达木盆地东部石炭系克鲁克组与怀头他拉组的页岩钻井岩心共5个样品,应用氩离子抛光扫描电镜实验与孔径分布测试(包括压汞法、氮气吸附法、二氧化碳吸附法)对页岩的孔隙结构特征进行定性定量测试。基于页岩气质量流量渗流模型,给出页岩表观渗透率与平均压力的关系。通过甲烷渗流模拟实验测定页岩的表观渗透率。从表观渗透率随平均压力的变化特征出发,分析页岩储层中的气体渗流规律。研究结果表明：页岩气的渗流形态包括滑脱流、扩散流及达西流。在低压情况下,渗透率低的页岩中以扩散流为主,其次为滑脱流。随渗透率的增大,渗流主要形式转变为滑脱流。当压力大于2 MPa时渗流形态以达西流为主,滑脱与扩散行为不明显。研究区内页岩微孔与中孔发育较多,达西渗透率与大孔的孔隙体积相关性较大,扩散流对表观渗透率的贡献与50 nm以下的孔隙孔体积比例有一定的相关性。低压下扩散流对表观渗透率的贡献较大,扩散流是一种非常重要的页岩气运移形式。     

填埋场垃圾中优先流特征的染色示踪试验

生活垃圾具有大孔隙特性,垃圾中水分运动常表现出优先流特征。针对垃圾组成复杂、难以切片的特点,设计了一种能方便地得到垃圾染色剖面的试验方法。使用填埋场不同深度处的垃圾样进行染色示踪试验,对染色后的垃圾柱分别进行水平切片和竖向切片。基于数字图像处理技术,研究了垃圾中优先流特征。垃圾中大孔隙多、基质少,染色模式与土中不同,基质部分的染色比例较高。试验所得的染色面积比和染色深度能反映出垃圾中优先流的明显程度,染色面积比与参与优先流的大孔隙比例有关,染色面积比越大,优先流越明显,而染色深度与基质流比例有关,上部垃圾中基质流比例越低,入渗深度越深。不同入渗强度的试验结果表明,入渗强度越大时垃圾中优先流程度越高;不同初始含水率的试验结果表明,初始含水率高的垃圾试样中优先流更明显;不同埋深垃圾试样的试验结果表明,浅层垃圾中更易产生优先流。竖向切片与水平向切片所得规律完全一致,试验方法在实现垃圾染色示踪和切片研究的同时,未改变垃圾中优先流原有规律,准确揭示了垃圾中优先流特征。     

马卡山不同植被群落下非饱和带大孔隙流路径示踪试验

为辨识在天然降雨条件下,植被发育斜坡非饱和带中具有优先流效应的大孔隙流路径,不包括死端大孔隙,分析两种植被群落下非饱和带大孔隙流路径分布模式差异及植被根系、有机质含量、土壤颗粒尺寸分布对大孔隙流路径分布模式的影响;选择亚甲基蓝作为染色示踪剂,结合降雨入渗模拟试验,在马卡山草本植被群落斜坡和木本植被群落斜坡开展染色示踪渗透试验。基于垂直开挖剖面采用图像处理技术获得大孔隙流路径分布模式图像。采用非参数检验分析大孔隙流路径差异。采用差方分析、回归分析法分析根系质量分数、有机质含量和颗粒尺寸分布对大孔隙流路径分布模式的影响。结果显示：木本植被群落斜坡大孔隙流路径分布模式更复杂,尺度更大;根系显著影响大孔隙流路径数量、尺度和分布特征,尤其是垂直向下和顺坡向下的根系,当根系尺寸增大时,其对大孔隙流路径影响更显著;有机质有利于团聚体间大孔隙的形成;黏粒、粉粒和砂粒对大孔隙流路径形成没有积极功效,但砾粒有利于大孔隙路径形成,尤其是在表土层;根-土界面和砾-土界面也是重要的大孔隙流路径。研究表明,可以通过根系分布形态、规模,有机质含量和砾粒含量综合评价植被发育斜坡大孔隙流路径分布模式。     

考虑气相影响的降雨入渗过程分析研究

降雨入渗过程是水在下渗的过程中驱替空气的水-气二相流过程,对这一过程的精确模拟一直是渗流计算的难点,目前的处理方法通常是忽略孔隙气压力变化的影响。根据多相流理论,结合质量守恒定律和达西定律,建立了水-气二相流模型,模型的求解采用积分有限差分法和Newton-Raphson迭代方法,通过变换主要变量来表达相态的变化,实现了水相、气相边界条件及降雨入渗边界的精确模拟。利用上述模型对一土柱试验进行模拟,从而验证了模型的正确性,研究了一均质土层的降雨入渗过程,得到了孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力及含水率的变化过程。根据入渗率与地表孔隙气压力的变化关系,验证了孔隙气压力的增大对入渗水流产生阻滞作用。在求解非稳定渗流问题中,考虑空气压力变化的影响是值得研究的。     

Effect of macropore tortuosity and morphology on preferential flow through saturated soil: A Lattice Boltzmann study

Unlike micropores where water moves upward or downward based on hydraulic gradient, in macropores, water flows predominantly downward due to the gravity. Therefore, models based on capillary flow are not capable of simulating macropore flow. There are attempts to model the macropore flow using two domains, one for capillary flow and another one for macropores. These models use Richard’s equation for capillary flow and Poiseuille’s law for macropores in which the macropore is approximated to be cylindrical or planar. This study quantifies the magnitudes of the errors induced by this assumption. Influence of macropore shapes and tortuosity was quantified by using a 3D Lattice Boltzmann model, which is capable of simulating fluid flow in micropores as well as macropores of cracked clays. Artificial macropores of constant sectional area and volume, but different shapes were generated in 3D and the influence of macropore shapes, shape related parameters, and tortuosity were systematically investigated. Macropore flow rate decreases with different shapes compared to cylindrical macropores and increase in aspect ratio of sectional shape leads to decrease in macropore flow rate. The maximum effect of bends/turnings along the tortuous macropore was about 25% on overall decrease of flow rate due to tortuosity. However, more detailed study is required on the influence of bends on macropore flow rate. The macropore flow rate reduces by about 70% for tortuosity of 1.41. A prediction equation is verified to predict the flow rate of different shapes and tortuous macropores based on straight cylindrical macropore using aspect ratio and tortuosity factor.     

Effect of structure and texture on infiltration flow pattern during flood irrigation

Understanding the flow pattern of water and solute in subsurface soils is critically important in the fields of agricultural and environmental sciences. Dye tracer tests using a flood irrigation of Brilliant Blue FCF solution (5 g l^-1) and excavation method was performed to investigate the effect of texture and structure on the infiltration pattern at three different field soils developed from granite (GR), gneiss (GN) and limestone (LS). The GR soil showed a homogeneous matrix flow in the surface soil with weak, medium granular structure and a macropore flow along pegmatitic vein and plant root in C horizon. The surface horizon (A1) of GN soil with moderate, medium granular structure and many fine roots had matrix flow. The fingering occurred at the interfaces of sandy loam A horizon and loamy sand C horizon in GR soil and loam A1 horizon and sandy loam A2 horizon in GN soil. The LS soil with strong, coarse prismatic structure and the finest texture showed a macropore flow along cracks and had the deepest penetration of the dye tracer. The macropore (crack and vein), layer interface and plant root induced the preferential flow in the studied soils.     

土壤中优势流的几个基本问题研究

优势流是指土壤在整个入流边界上接受补给,但只通过少部分土体的快速运移,优势流是一种普遍存在的现象,而不是一种特例,它受许多因素的控制,如土壤中的大空隙,土壤结构,土壤质地,土壤水分含量,土壤初始水分含量,水和溶质的施加速率及溶质的施加方法等,优势流的产生机理主要有两种,一种是由土壤介质的非均质所驱动的优势流;另一种是湿润锋的不稳定性所驱动的优势流,目前优势流的监测方法主要取土壤原状土,实验室内的土     

疏松砂岩油藏大孔道流体-砂粒两相运移的机理分析

油藏中大孔道的存在不仅导致套损和井壁失稳等,而且大大降低了油田注水和注化学剂的驱油效率。因此,研究大孔道形成及大孔道内流体-砂粒两相运移机理十分重要。根据多相流体力学的理论,考虑流体-砂粒之间的相互作用关系以及砂粒的沉降等,建立了大孔道内流体-砂粒两相运移的数学模型,并根据有限元方法探讨了数值求解的方法。从而为疏松砂岩油藏大孔道形成预测提供理论参考。     

分形理论在描述土壤大孔隙结构中的应用研究

土壤大孔隙结构对土壤中水流及溶质运移以及地下水环境有着深刻影响。确定土壤大孔隙结构,可以很好地理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的运移,保护地下水环境。由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,因此可以采用分形理论研究土壤大孔隙结构。根据CT对原状土柱各断面的扫描图像,得到了各断面土壤大孔隙的分形维数,为进一步研究土壤大孔隙的水力性质奠定了基础。